[发明专利]使用离子液体电解质的气体传感器

说明书

一种气体传感器，具有带第一和第二腔室的壳体，特征在于第一和第二腔室之间布置有多孔分隔物。该传感器的第一腔室通过气体扩散孔与外界相连。该气体传感器具有置于第一腔室内的感应电极，和置于第二腔室内的至少第二电极。该传感器具有置于第二腔室内的离子液体电解质，其中所述感应电极和至少第二电极包含铂。

技术领域

技术领域涉及气体传感器，更具体地涉及使用离子液体作为电解液的气体传感器。

背景技术

常规的电化学气体传感器包括气体扩散工作电极或感应电极，其通常基于分散在聚四氟乙烯(PTFE)带上的金属催化剂。目标气体在该电极上反应，而平衡反应发生在对电极上，对电极也可以是气体扩散电极。所述电极被容留在外壳内，该外壳通常包含能够支持相关反应的液体电解质(例如硫酸)。待测气体通常通过受控扩散入口进入壳体，该入口调节目标气体到单元内的进入。由于目标气体在感应电极处发生反应，传感器的电输出可与环境中的目标气体浓度直接相关。这些原理是公知的并且已经有记载。

有大量的关键性能参数会限制电化学气体传感器在恶劣环境(aggressiveenvironments)中的使用。其中之一就是传感器在极端温度和/或湿度下长期工作的能力。常规的电解液通常基于含水体系，其在这方面尤其存在弱点。显然，期望传感器的工作寿命尽可能的长，但是除此之外重要的是任何具体的传感器类型应能够一致地持续工作至少所指定的使用期。过早失效会导致需要更频繁的传感器更换，以及增加的对传感器性能的检查和监控，和最终对传感器丧失信任。因此，需要制造在许多不同操作环境下更稳定的传感器。通过使用新型电解液体系，例如那些基于离子液体的电解液体系，已经在改善这一表现(behavior)方面取得了一些进展。

一些现有的电化学气体传感器的另一限制在于可用的电极选择没有所要求的对目标气体的专一性(specificity)水平。这就要求使用过滤器来改善选择性，这进而会引入更多的操作困难。

某些类型的电极制造起来还相对较昂贵，通常是由于存在相当高的贵金属催化剂载量。遗憾的是，许多常规的负载型催化剂(可供作为更廉价的替换物使用)在目前采用的侵蚀性(aggressive)电解液中是不稳定的，这进一步限制了可用的选择。

发明内容

我们已经证实，通过从常规的(含水)电解液转换到基于离子液体的那些，电极-电解液系统的表现以此前未预料到的方式受到影响。这已显示出为传感器设计者提供了能够解决关键性的操作问题的一系列可替换的工具和选择。

特别是，我们已经显示，取决于所使用的电解液体系，用于检测特定目标气体(例如，H₂S)的同样的电极材料(例如Pt)对可能的气相干扰展现出非常不同的相对灵敏度。我们已经辨识出常规电解液与离子液体电解质之间在表现上的关键差异，以及不同类型的离子液体电解质之间在表现上的关键差异。这一效应在实际应用中有重要的影响，在所述实际应用中常规电解液可能需要其它装置(例如，过滤器)来确保获得对目标气体的可靠的专一测量值。

我们同样注意到，某些电极选择目前由于交叉干扰效应而被排除，否则它们可能是商业上优选的。因而，对于使用常规H₂SO₄基电解液的H₂S传感器，纯Pt因为其CO交叉干扰的程度而不是可行的选择。通常的解决方案是使用Ru/Pt或者Ir。然而，这些材料更容易中毒，通常提供更低的活性，并且更不适应常规的电极制造工艺。Pt/碳混合物，可能提供了一种降低不期望的CO干扰的方式，但是因为碳容易在酸性电解液介质中在阳极电位下缓慢氧化导致长期工作的不稳定性而不能被使用。然而，通过适当选择离子液体电解质，可以消除这个问题，其中所提供的所述不同的交叉灵敏度表现(cross sensitivity behavior)为传感器设计者提供了新的选择。该方法使得某些关键性的实际操作问题得以解决。